Entwurf von mikroelektronischen Schaltungen für invasive Gehirn-Computer-Schnittstellen

Der Einsatz und die Entwicklung von technischen Schnittstellen zum Gehirn ist ein breites Forschungsfeld, welches mit der exponentiell steigenden Integrationsdichte elektronischer Schaltungen zunehmend Produkte für verschiedene Anwendungsbereiche hervorbringt. Insbesondere ermöglicht die Miniaturisierung der Elektronik in Kombination mit der Mikrosystemtechnik eine Erfassung der elektrischen Signale des Gehirns mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung. Ziel dieser Entwicklungen sind Implantate, welche in den Bereichen der neurologischen Grundlagenforschung, der medizinischen Diagnostik und der Prothetik zum Einsatz kommen können. Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Entwicklung eines implantierbaren, kabellosen Messsystems zur Erfassung neuronaler Signale. Die Entwicklung folgt einem Top-down-Ansatz mit dem Ziel, ein funktionsfähiges Gesamtsystem in Form eines Prototypen zu erhalten. Der Fokus liegt dabei auf dem Entwurf der digitalen Steuereinheit des Implantats. Dazu zählt der Entwurf eines Übertragungsprotokolls für die Messdaten und für die Implantatssteuerung sowie die Implementierung der Steuereinheit als integrierte CMOS-Schaltung. Für die verfügbare Peripherie wird der Entwurf einer digitalen Systemarchitektur beschrieben, welche es ermöglicht, die vielkanaligen Ein- und Ausgangsdaten in Echtzeit zu verarbeiten. Über die Entwicklung des Prototypen hinaus werden innovative Konzepte für eine kontaktlose Datenübertragung und für ein verteiltes neuronales Messsystem vorgestellt und anhand von Modellen simulativ und analytisch auf mögliche Übertragungsraten und Leistungsaufnahmen überprüft. Das verteilte neuronale Messsystem ist für ein flexibles Array aus Oberflächenelektroden konzipiert, wie es zur Messung von Lokalen Feldpotentialen (LFP) verwendet wird.